基于三维可视化的综采工作面过断层开采工艺仿真研究.pdf

第 34 卷第 2 期 2015 年2 月 煤炭技术 Coal Technology Vol．34No．2  Feb．2015 * 国家自然科学基金 51274008; 51374114 ; 中国煤炭科工集团有限 公司科技创新基金 2013ZD002 ; 安徽省教育厅高校省级人文社科 重大项目 SK2014ZD046 ; 安徽理工大学大学生科研立项资助项目 ZZ1411 doi 10． 13301/j． cnki． ct． 2015． 02． 030 基于三维可视化的综采工作面过断层开采工艺 仿真研究 * 何叶荣1， 2， 孟祥瑞1， 3， 徐雪战1， 3， 吴娅楠4 1． 安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001; 2． 淮南师范学院 经济与管理学院， 安徽 淮南 232038; 3． 煤矿安全 高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001; 4． 合肥学院 机械工程系， 合肥 230601 摘要 以淮南矿业集团某矿 3232 3 综采工作面跨断层回采为研究对象， 利用 FLAC3D连续 力学分析软件对回采工作面进行了数值仿真分析。依据数值软件仿真结果与矿井设计资料， 通过 3D MAX、 Converse 3D 三维仿真软件， 创建综采工作面跨断层回采工艺三维可视化仿真系统。为综 采工作面复杂地质条件下回采积累了经验。 关键词 跨断层开采; 综采工作面; 三维可视化; 数值模拟; 3D MAX 中图分类号 TD823文献标志码 A 文章编号 1008 －8725 2015 02 －0077 －03 Ｒesearch on Virtual Simulation of Cross- fault Mining at Fully- mechanized Coal Face Based on Three- dimensional Visualiation HE Ye- rong1， 2， MENG Xiang- rui1， 3， XU Xue- zhan1， 3， WU Ya- nan4 1． School of Energy and Safety Engineering， Anhui University of Science ＆ Technology， Huainan 232001， China; 2． School of Economic and Management， Huainan Normal University， Huainan 232038， China; 3． Provincal and MOE Joint Established Key Lab of Coal Mine Safety and High Efficient Mining， Huainan 232001， China; 4． Department of Mechanical Engineering， Hefei University， Hefei 230601， China Abstract Taking Cross- fault mining at 3232 3fully- mechanized mining face in a coal mine of Huainan mining industry group as aresearch object， presenting a simulation analysis of the mining working face by using FLAC3D， a continuous mechanical analysis software． Based on the simulation results of numerical software and the mine design data， determines the machinery and equipment of the mining face． At last， a 3D visualization simulation of the Cross- fault mining at fully- mechanized mining face is pered by 3D MAX and Converse 3D． This study will provide theoretical guidance for the research of the Cross- fault mining at fully- mechanized mining face． Key words cross- fault mining; fullymechanized coal face; three- dimensional visualization; numerical sim- ulation; 3D MAX 0前言 在煤田形成过程中， 受多种因素影响， 煤岩体中 存在着大量的节理、 断层等地质构造。随着工作面 回采的推进， 煤矿深部的围岩应力进一步增大， 尤其 在地质构造复杂的回采区域， 工作面矿压显现更加 强烈， 极易催生出新的裂隙构造， 并造成煤壁片帮、 冒顶、 突水等一系列矿井灾害。 以往跨断层回采的研究过程均集中在回采过程 中顶板岩层的运动规律与围岩稳定性演化等方面。 勾攀峰、 胡有光对断层附近巷道顶底板的移动规律 进行了研究， 得出 U 形钢支护效果优于锚杆支护; 何富连等利用 UDEC 数值模拟软件对大断面开切眼 周围的裂隙分布和围岩应力变化进行了研究， 为回 采过程中过断层工艺提供了理论参考。以上学者从 断层处围岩应力变化与监测技术等方面进行了研 究， 并取得了良好的研究成果， 然而均未对工作面回 采工艺进行研究， 适用性较差。 本文在总结前人研究成果的基础上， 以淮南矿 业集团某矿 3232 3 工作面为例。首先， 利用力学 分析软件 FLAC 对工作面回采过程中的应力分布等 进行了数字模拟; 然后结合工作面回采过程中的实 际情况， 利用 3D MAX 三维模型创建软件和 Con- verse 3D 虚拟仿真软件， 对液压支架、 采煤机、 刮板 输送机等工作面回采机械设备进行了虚拟仿真， 实 现了综采工作面过断层开采工艺的虚拟仿真研究。 1工作面地质概况 3232 3 综采工作面， 位于该矿东二采区， 工作 面东西走向长 850-1 113 m， 平均 980 m; 倾斜长 90- 146 m， 煤层倾角 3-10， 平均 7， 为近水平煤层; 煤 层厚度1． 7-4． 4 m， 平均厚3． 1 m， 煤层组分以黑色、 灰黑色的暗煤为主， 工作面直接顶为均厚 7． 8 m 的 砂质泥岩， 其间夹有0． 5 m 左右厚的煤线， 基本顶为 均厚 3． 6 m 的中细砂岩， 基本底为均厚 2． 3 m 炭质 泥岩; 距开切眼83 m 处有一高度落差5 m 左右的断 层， 断层倾角 30。工作面瓦斯涌出量约为 2． 34 m3/t， 具有煤与瓦斯突出危险。 2数值模拟分析与过断层工艺选取 根据 3232 3 工作面地质概况， 采用 FLAC3D连 77 Vol． 34No． 2基于三维可视化的综采工作面过断层开采工艺仿真研究 何叶荣， 等第 34 卷第 2 期 续介质力学分析软件建立工作面数值仿真模型如图 1 所示。 设计模型长 宽 高 600 m 300 m 200 m， 断层附近用工程弱面代替。同时， 依据矿井地 质资料条件， 将各个煤岩组划分为不同的块体。 同时， 在煤层块体模型的顶部， 施加一定大小的均 布载荷， 模拟工作面上覆岩层容重， 并限制直接底 块体水平与垂直方向以及模型四周边界限制水平 方向的移动。 图 1工作面断层附近数值仿真模型 2．1工作面应力分布情况分析 在煤层回采过程中， 受工作面采动影响， 工作面 周围煤岩体围岩应力重新分布， 如图 2 所示。 图 2工作面回采过程中应力重新分布情况 结合矿山压力的研究成果， 得出工作面回采过 程中的围岩应力满足极限平衡条件 r dσ r dr σ r － σ t 0 1 结合原岩应力平衡条件 σt 1 sin φ 1 － sin φσr 2Ccos φ 1 － sin φ 2 可得 r dσ dr σ r － 1 sin φ 1 － sin φσr － 2Ccos φ 1 － sin φ 0 3 化简可得 σr Ar 2sin φ 1－sin φ － Ccot φ 4 σt A 1 sin φ 1 － sin φr 2sin φ 1－sin φ － C 1 sin φ 1 － sin φcot φ － 2cos φ 1 － sin φ 5 式中σt 切向应力; σr 径向应力; C 围岩内部黏聚力; φ 内摩擦角; r 极限应力平衡半径; A 积分常数。 根据回采过程中巷道围岩应力的重新分布情况， 在考虑断层等工程弱面的前提下， 利用 FLAC 3D 连续 介质力学分析软件， 分别对3232 3 工作面断层附近回 采进行数值仿真分析得到如图3 所示的仿真效果。 由数值模拟软件仿真结果分析可知， 回采工作 图 3回采工作面数字模拟仿真 面推进到距断层约40 m 处， 煤层底板塑性区与断层 连通; 同时， 工作面顶板围岩应力大小较远处围岩稳 定区显著升高; 另外， 工作面附近顶底板垂直位移移 动量发生明显变化。 2．2工作面过断层方案的确定 根据工作面回采过程中的实际顶板管理情况， 在充分考虑落差高度约 5 m 的断层情况下， 结合以 往过断层回采工艺的经验， 认为在该工作面实施跨 断层直接开采工艺可行。同时， 由综采队制定合理 的跨断层回采防治措施， 针对断层处顶底板管理的 复杂情况， 实施专人专项的管理措施。在回采过程 中， 倘若出现较大的回采困难， 应及时结束工作面回 采， 防止安全事故发生。 3三维可视化虚拟仿真 3．1工作面机械设备的选取与回采工艺的确定 根据 3232 3 综采工作面的数值模型仿真效果 与矿井的生产设计资料， 该工作面采用单一长壁后 退式采煤方法采煤， 端头斜切式进刀一次采全厚的 综合机械化回采工艺。工作面主要机械设备如表 1 所示。 表 1工作面主要机械设备 序号设备名称型号数量 1采煤机MG132/320 － W1 2液压支架ZY4000/17/35105 3转载机SZD730/901 4刮板输送机SGB620/80T1 5带式输送机SSJ －1000/2 1101 6破碎机LPS －1000/1101 3．2三维模型的创建 在对 3232 3 综采工作面过断层综采工艺进行 三维可视化虚拟仿真的过程中， 依据矿井生产的实 际设计资料， 利用美国 Autodesk 公司生产的三维模 型创建软件 3D MAX， 依次对井巷、 回采机械设备、 支护设备、 转运设备、 管线和井下辅助设施进行三维 模型的创建， 具体步骤如下 1 数据的收集与处理根据 3232 3 综采工 作面的设计资料， 收集工作面的设计参数资料， 并结 合 CorelDＲAW、 Photoshop、 AutoCAD 等图形和图线 处理软件对收集到的参数资料进行修改处理， 以期 达到 3D MAX 建模的需求; 2 三维模型的创建首先， 通过 3D MAX 内 置的建模工具， 通过线条、 简单几何体等， 创建出 87 第 34 卷第 2 期基于三维可视化的综采工作面过断层开采工艺仿真研究 何叶荣， 等Vol． 34No． 2 3232 3 综采工作面的三维场景模型 见图 4 ; 然 后， 按照综采工作面的设计资料， 调整各三维模型的 大小到合适位置， 完成生产工作场景的创建; 图 4工作面机械设备仿真模型 3 三维场景的优化为进一步提升过断层综 采工作面回采工艺的仿真度， 利用 3D MAX 内置的 优化工具， 按照实际的生产效果设置环境参数， 渲染 输出得到如图 5 所示的综采工作面生产仿真效果。 图 5过断层综采工作面生产仿真系统 3．3虚拟仿真系统的导出与发布 在对 3232 3 综采工作面过断层回采工艺仿真 研究的过程中， 采用北京中天灏景公司生产的虚拟 现实合成软件 Converse 3D 做为虚拟现实合成软件。 首先， 选中 3D MAX 三维模型创建软件下要导出的 三维场景模型， 单击“渲染” 工具栏下的“Ｒender To Texture” 工具， 实现工作面场景模型的贴图烘焙; 然 后， 选中要导出的三维场景模型， 利用3D MAX 工具 栏下的 “Converse 3D” 模型导出工具， 将三维场景模 型导出到虚拟现实合成软件内。 在综采工作面过断层回采工艺虚拟仿真系统的 合成过程中， Converse 3D 提供了“静态加载” 和“动 态加载” 2 种导出方式， 在考虑综采工作面设备与场 景三维模型数量大小的情况下， 采用了“动态加载” 软件打包形式， 选中创建好的 “* ． ico” 软件图标， 生 成过断层综采工作面虚拟生产仿真系统如图 6 所示。 4应用结果分析 4．1过断层回采工艺经济效益分析 通过施工前期的综采工作面跨断层回采工艺三 维可视化安全生产培训和编制合理的施工管理办 法， 3232 3 工作面从原采止线上向前推进了 110 m， 增加原煤产量 13． 23 万 t， 减少了工作面搬家倒 图 6综采工作面虚拟生产仿真系统合成设置 面次数20余次， 实现了矿井综采工作面的正常接替 生产， 以原煤盈利 76． 1 元/t 计算， 可直接产生经济 效益 1006． 8 万元。 4．2过断层回采工艺仿真系统应用结果分析 基于三维可视化与虚拟仿真技术的综采工作面 过断层回采工艺仿真系统， 在分析工作面过断层回 采工艺的基础上， 首次结合三维可视化与虚拟仿真 技术对工作面回采工艺进行了可视化仿真， 通过在 综采 2 队的培训结果分析， 将工作面回采安全培训 时间由以往的 16 h 缩减到了现阶段的 6 h， 平均节 省时间高达 62． 5， 经济效益明显。 5结语 1 基于煤层回采过程中矿山压力重新分布的 研究成果， 利用 FLAC 3D 连续介质力学分析软件， 模拟了 3232 3 综采工作面回采过程中的塑性区分 布和应力分布情况， 为回采工作面矿用机械设备的 选取提供了理论指导; 2 基于三维可视化与虚拟仿真技术的综采工 作面跨断层回采仿真系统， 形象逼真地对井下复杂 回采工艺进行了三维仿真再现， 通过综采 2 队的应 用结果显示， 平均节省工人培训时间高达 62． 5， 经济效益明显， 同时为复杂地质条件下工作面的回 采工艺积累了一定的经验。 参考文献 ［ 1］姜福兴， 朱斯陶， 刘金海， 等． 深井综采 放 工作面异常来压控制 研究［J］． 岩石力学与工程学报， 2013， 32 8 1 528 －1 536． ［ 2］郑坤， 毛维辰， 严 哲， 等． 一种含断层的复杂层状地质体三维自动 构模方法研究［J］． 岩土力学， 2013， 34 2 546 －550， 592． ［ 3］贾昆， 李永红， 张铁军． 大采高综采工作面跨断层开采［J］． 辽宁 工程技术大学学报 自然科学版， 2011， 30 S1 46 －49． ［ 4］姜耀东， 吕玉凯， 赵毅鑫， 等． 综采工作面过断层巷道稳定性多参 量监测［J］． 煤炭学报， 2011， 36 10 1 601 －1 606． ［ 5］刘进， 李绍虎． 断层的三维可视化建模研究［J］． 吉林大学学报 地球科学版， 2004， 34 S1 36 －39． ［ 6］勾攀峰， 胡有光． 断层附近回采巷道顶板岩层运动特征研究［J］． 采矿与安全工程学报， 2006， 23 3 285 －288． ［ 7］何富连， 许磊， 吴焕凯， 等． 厚煤顶大断面切眼裂隙场演化及围岩 稳定性分析［J］． 煤炭学报， 2014， 39 2 336 －346． ［ 8］李翠平， 曹志国， 李仲学， 等． 地下矿火灾烟流蔓延的三维仿真构 模技术［J］． 煤炭学报， 2013， 38 2257 －263． ［ 9］钱鸣高， 石平五， 许家林． 矿山压力与岩层控制［M］． 徐州 中国 矿业大学出版社， 2010． 作者简介 何叶荣 1971 － ， 女， 安徽霍邱人， 副教授， 研究方 向 矿业管理工程． 责任编辑 王凤英收稿日期 2014 －09 －19 97